高压环境作业安全风险评估与防范研究

徐颖 马苏南 易先中 田野 周元华

（1 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司第一机械厂，河北 沧州 062658；2 长江大学，湖北 荆州 434023）

0 引言

2021 年6 月13 日，湖北省十堰市张湾区艳湖小区发生天然气爆炸事故，造成大量人员伤亡和财产损失。高压环境作业安全风险评估与防范研究，可以提前预知爆炸冲击能力，保护主体建筑物不被冲溃，同时保护高压环境作业的工作人员不受伤害。

1984 年，钱伟长等[1]最先对不同形状物体击穿靶板进行力学分析，得到了不同形状物体撞击靶板的过程分析及力学相关公式。1992 年，孙韬等[2]首先研究刚性球形弹丸对间隔靶或多层靶的侵彻问题，建立了弹丸与靶体相互作用的模型，由该模型可计算出相互作用的表面，在每个时间增量时的变化状态，以及可获得靶的阻力；将这些参数代入到弹丸的运动方程中，可得到一个完整的弹丸在击穿靶或未击穿靶时的弹道轨迹。2002 年，陈剑杰等[3]首次使用DYNA 软件计算得到的爆炸荷载，采用有限元优化设计技术分析了空心圆柱体钢筋混凝土结构的抗爆性能，与爆炸实验相比，误差在14%左右，计算得出的结构响应和破坏规律可供工程设计参考。2009 年，Ferri 等[4]研制了一种带有高速摄影和直接冲击霍普金森压力棒的气枪，用于实验室规模的高速冲击试验。该模型为研究夹层板在冲击载荷作用下的响应提供了有参考价值的本构模型。2004 年，Li, Wei 等[5]为了研究金属和纤维增强聚合物交替层组成的层压板对冲击的反应，开发了一个基于连续损伤的模型在有限元商业软件Abaqus中实现，计算出的损伤区域与被测材料的截面试样的损伤区域，平均误差为-15%左右。

为了研究高压环境作业安全风险防范，分析不同形状爆炸物对防护墙的侵彻深度，通过WORKBENCH 显示动力学数值分析方法分析了4 种常规爆炸物(M10 螺栓、M10 螺母、堵头、钢管)如图1 所示，在不同爆炸工况下对防护墙的侵彻情况，分析出爆炸后爆炸物的冲击能力，给予高压环境安全风险防范保护方法。

图1 爆炸物侵彻墙体力学模型

1 防护墙结构

高温高压环境中，一旦发生事故，爆炸物会以很高的速度飞出，因此需要防护墙有很好的防爆炸冲击性能。防护墙的结构是由双层钢板和混凝土或者纤维组合而成，防护墙的厚度为100 mm，前后使用6 mm 厚的钢板，中间夹层使用88 mm 的混凝土或者混凝土与玻璃纤维混合，能够有效防护爆炸物冲击，爆炸物侵彻墙体力学模型如图1 所示。防护墙混凝土参数如表1 所示。防护墙钢板Q235 钢参数如表2所示。

表1 夹层材料力学性能参数

表2 Q235钢的材料参数

2 防护性能

为了使墙体有效抵抗爆炸冲击荷载，应研究清楚在爆炸冲击荷载作用下的机器可能飞出的零件情况，爆炸飞出零件的模型和尺寸如图2 所示。由于机器零件长时间处于高温高压的环境中，在受到爆炸冲击荷载作用时，大多数机器的零部件会产生松动，在某一时刻可能会爆炸飞出。因此，模拟这些可能飞出的零件碰撞墙体的情况，预测墙体的结构变形，进而有效地增加墙体的抗爆能力具有重要作用[6-7]。

图2 高压环境飞出爆炸物物

3 数值分析

3.1 防护墙三维模型

防护墙两侧采用双层防护钢板进行防护，钢板厚度6 mm，共2 层结构设计，在钢板中间加入混凝土墙体或者混凝土与玻璃纤维混合夹层，厚度为88 mm，防护墙厚度为100 mm。将模型导入软件中后，连接中删除相互间的接触面。设置爆炸飞出零件材质为45 号钢，爆炸碎片材质为304 不锈钢，前后钢板材料为Q235 钢，中间夹层为混凝土材料或者玻纤增强混凝土材料，材料具体参数如表1、表2，防护墙三维仿真模型如图3 所示。

图3 防护墙三维仿真模型

3.2 施加约束条件

为了准确地模拟爆炸物侵彻防护墙结构的真实响应，本模型对防护墙进行约束，即将防护墙的周围表面设置为固定约束，正面和背面为自由面。在爆炸物冲击荷载作用下，墙体的约束为四边固支，给爆炸物施加初始速度约束。添加墙体总变形和等效弹性应力,通过显示动力学模块进行仿真，观察墙体变化情况及零件的位移。从而判断物体爆炸时，爆炸飞出零件对墙体的冲击[8-10]。

表 3 爆炸物侵彻防护墙厚度mm

运用WORKBENCH 显示动力学数值分析方法，分析出爆炸飞出零件侵彻墙体的厚度，如图4-7 所示。

图4 螺栓M10 最大侵彻位移

图5 螺母M10 最大侵彻位移

图6 堵头最大侵彻位移

图7 钢管最大侵彻位移

爆炸物在在温度370 ℃、气体压力70 MPa(工况1)；温度370 ℃、液体压力70 MPa(工况2)；温度220℃、气体气压105 MPa(工况3)；温度220 ℃、液体压力155 MPa(工况4)4 种工况发生爆炸，工况4 下，爆炸物侵彻位移最大，其中钢管的侵彻位移最大，为13 mm，没有击穿防护墙，通过防护墙可以有效避免爆炸物带来的冲击。

4 结论

在温度370 ℃，压力70 MPa（包括气压、液压）；温度220 ℃，气压105 MPa 或液压155 MPa,4 种工况下，爆炸物（M10 螺栓、M10 螺母、堵头、钢管）对防护墙侵彻位移，其中钢管侵彻位移最大，侵彻位移为13 mm，没有击穿防护墙，说明防护墙具有足够安全的抗爆性能。

通过分析4 种爆炸物侵彻位移，高温高压环境发生爆炸后，防护墙可以有效阻挡爆炸后飞出的爆炸物的冲击，减少人员伤亡和财产损失。建议在高温高压的工作环境下，采用加装防护钢板层的防护墙来保护工作人员。

运用WORKBNECH 显示动力学数值分析方法，分析爆炸物侵彻深度，可以预知高压环境爆炸后，爆炸物的冲击能力，为高温高压环境的防护提供参考和理论指导。